Controllo logico sequenziale

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1 Controllo logico sequenziale Automazione 28/10/2015 Vincenzo Suraci

2 STRUTTURA DEL NUCLEO TEMATICO INTRODUZIONE REALIZZAZIONE SU EMBEDDED SYSTEM REALIZZAZIONE SU PLC REALIZZAZIONE SU SOFT PLC Via Ariosto Roma 2

3 INTRODUZIONE Via Ariosto Roma 3

4 CONTROLLO LOGICO-SEQUENZIALE Abbiamo visto che un sistema di controllo real time deve agire a livello di campo, di coordinamento e di conduzione per eseguire tutti i task necessari al corretto funzionamento del sistema complesso. CONTROLLO DI SEQUENZE LOGICHE PER LA SUPERVISIONE CONTROLLO DI SEQUENZE LOGICHE DI COORDINAMENTO SISTEMA DI CONTROLLO REAL TIME CONTROLLO DIGITALE DI VARIABILI ANALOGICHE Via Ariosto Roma 4

5 CONTROLLO LOGICO-SEQUENZIALE In Automazione i sistemi di controllo HARD REAL-TIME CENTRALIZZATI di PICCOLA TAGLIA possono essere realizzati tramite EMBEDDED CONTROLLER che eseguono opportuni programmi software sviluppati per il controllo logico sequenziale. CONTROLLO DI SEQUENZE LOGICHE PER LA SUPERVISIONE CONTROLLO DI SEQUENZE LOGICHE DI COORDINAMENTO CONTROLLO DIGITALE DI VARIABILI ANALOGICHE EMBEDDED CONTROLLER PROGRAMMA SOFTWARE Via Ariosto Roma 5

6 CONTROLLO LOGICO-SEQUENZIALE In Automazione i sistemi di controllo HARD/SOFT REAL-TIME CENTRALIZZATI possono essere realizzati tramite PLC o Soft PLC che eseguono programmi software per il controllo logico sequenziale. CONTROLLO DI SEQUENZE LOGICHE PER LA SUPERVISIONE CONTROLLO DI SEQUENZE LOGICHE DI COORDINAMENTO CONTROLLO DIGITALE DI VARIABILI ANALOGICHE PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER PROGRAMMA SOFTWARE Via Ariosto Roma 6

7 CONTROLLO LOGICO-SEQUENZIALE In Automazione i sistemi di controllo HARD/SOFT REAL-TIME DISTRIBUITI operanti a livello di conduzione sono realizzati tramite SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). CONTROLLO DI SEQUENZE LOGICHE PER LA SUPERVISIONE SCADA CONTROLLO DI SEQUENZE LOGICHE DI COORDINAMENTO CONTROLLO DIGITALE DI VARIABILI ANALOGICHE Via Ariosto Roma 7

8 CONTROLLO LOGICO-SEQUENZIALE In Automazione i sistemi di controllo HARD/SOFT REAL-TIME DISTRIBUITI operanti a livello di campo, coordinamento e conduzione, possono anche essere realizzati tramite DCS (Distributed Control System). CONTROLLO DI SEQUENZE LOGICHE PER LA SUPERVISIONE CONTROLLO DI SEQUENZE LOGICHE DI COORDINAMENTO SISTEMI DI CONTROLLO DISTRIBUITO CONTROLLO DIGITALE DI VARIABILI ANALOGICHE Via Ariosto Roma 8

9 REALIZZAZIONE SU EMBEDDED SYSTEM Via Ariosto Roma 9

10 Sistemi di Controllo Embedded DEFINIZIONE Un qualsiasi sistema realizzato tramite una singola scheda elettronica oppure tramite un singolo circuito integrato viene chiamato EMBEDDED SYSTEM. DEFINIZIONE Un sistema di controllo realizzato tramite un embedded system viene chiamato EMBEDDED CONTROLLER. OSSERVAZIONE Un sistema di controllo embedded contiene al suo interno tutto il necessario sia per connettere il controllore al sistema da controllare, sia per eseguire gli algoritmi di controllo definiti dall utente. Un sistema embedded viene progettato o scelto in maniera tale che la configurazione hardware e software sia ad-hoc rispetto al problema di Automazione da risolvere. Ciò richiede la conoscenza a priori dei compiti da eseguire. Via Ariosto Roma 10

11 Sistemi di Controllo Embedded VANTAGGI Noto a priori il problema di automazione il sistema embedded permette di ridurre l hardware, lo spazio, i consumi energetici, i tempi di realizzazione ed il costo necessari a realizzare il sistema di controllo. SVANTAGGI Di contro, un sistema embedded è caratterizzato da scarsa flessibilità, bassissima estendibilità e difficile intercambiabilità. OSSERVAZIONE L uso dei sistemi embedded nell ambito della Automazione si è diffuso moltissimo soprattutto a livello di campo, dove i task del sistema di controllo sono ripetuti e noti a priori. Via Ariosto Roma 11

12 Architettura Hardware dei Controllori Embedded Un controllore embedded è realizzato su un unica scheda, come in figura: INTERFACCIA I/O Gestione Input/Output ADC Unità di elaborazione (CPU) Gestione Interrupt Memoria RAM Memoria (EEP)ROM Acquisizione Segnali analogici Acquisizione Segnali digitali Gestione Uscite Gestione Rete Gestione Temporizzazioni INGRESSI ANALOGICI INGRESSI DIGITALI USCITE INTERFACCIA DI RETE Via Ariosto Roma 12

13 Architettura Hardware dei Controllori Embedded CENTRAL PROCESSING UNIT (CPU) È il processore che si occupa di eseguire sia il Basic I/O System (BIOS), ovvero il sistema operativo, che il programma realizzato dall utente che implementa l algoritmo di controllo. Via Ariosto Roma 13

14 Architettura Hardware dei Controllori Embedded CENTRAL PROCESSING UNIT (CPU) La CPU può essere un microprocessore general purpose (numeri interi), oppure un digital signal processor (numeri interi e reali), o un field programmable gate array (funzioni logiche) Via Ariosto Roma 14

15 Architettura Hardware dei Controllori Embedded MEMORIA RAM È la memoria volatile necessaria per mantenere lo stato del programma, ovvero tutti i dati temporanei necessari durante l elaborazione degli algoritmi di controllo logico sequenziale. Via Ariosto Roma 15

16 Architettura Hardware dei Controllori Embedded MEMORIA (EPP)ROM È la memoria non volatile necessaria per memorizzare permanentemente il sistema operativo (ROM) e il programma utente ([EEP]ROM). Via Ariosto Roma 16

17 Architettura Hardware dei Controllori Embedded GESTIONE TEMPORIZZAZIONI Gestione dei timer utili per la sincronizzazione e la temporizzazione delle attività della CPU. Via Ariosto Roma 17

18 Architettura Hardware dei Controllori Embedded GESTIONE RETE Contiene i protocolli di base (di livello fisico e di accesso al mezzo trasmissivo) per gestire la comunicazione con altri dispositivi di controllo (embedded e non). Via Ariosto Roma 18

19 Architettura Hardware dei Controllori Embedded GESTIONE USCITE Contiene una serie di circuiti per la generazione di segnali analogici (DAC) e digitali. Via Ariosto Roma 19

20 Architettura Hardware dei Controllori Embedded ACQUISIZIONE SEGNALI DIGITALI Circuiti per l accoppiamento con i segnali digitali in ingresso (ad es. TTL, OPTO) Via Ariosto Roma 20

21 Architettura Hardware dei Controllori Embedded ACQUISIZIONE SEGNALI ANALOGICI + ADC Circuiti per l accoppiamento con i segnali analogici in ingresso, l eventuale multiplexer e il convertitore A/D (ADC) per il campionamento e la quantizzazione. Via Ariosto Roma 21

22 Architettura Hardware dei Controllori Embedded GESTIONE I/O Circuiti per l accoppiamento con bus dedicati o schede di espansione. Via Ariosto Roma 22

23 Architettura Hardware dei Controllori Embedded GESTIONE INTERRUPT Circuiti per la rilevazione degli eventi. Via Ariosto Roma 23

24 Microcontrollori DEFINIZIONE Un embedded controller realizzato tramite un singolo circuito integrato viene chiamato microcontrollore. OSSERVAZIONE Ha senso prendere in considerazione l utilizzo di microcontrollori esclusivamente in quei sistemi di Automazione che richiedano: notevole riduzione degli ingombri (cellulari, elettrodomestici, servizi di rete, centraline elettroniche, wearable devices, etc.) numero limitato di segnali di ingresso / uscita (digitali o analogici) basso consumo energetico (alimentazione a batteria) HMI minimale (ad es. tastiera, display LCD, LED) o nulla interoperabilità e integrazione con altri dispositivi limitata o nulla Scenari applicativi appetibili per i µcontrollori sono: Building Automation, Smart Grid, Smart Cities, Wireless Sensor and Actuator Networks, Mobilità, Health. Via Ariosto Roma 24

25 REALIZZAZIONE SU PLC Via Ariosto Roma 25

26 Controllori a BUS Quando si deve realizzare un sistema di controllo logico sequenziale caratterizzato da: complessità di calcolo degli algoritmi molto elevata elevato numero di ingressi e/o uscite analogiche/digitali HMI complesse ed articolate interoperabilità con altri sistemi di controllo ed informativi si preferisce sostituire i controllori embedded con i CONTROLLORI A BUS. DEFINIZIONE Un BUS è un insieme di linee di trasporto di energia e di informazione (in generale di tipo elettrico) che permettono la comunicazione tra più dispositivi. OSSERVAZIONE Per identificare un BUS è pertanto necessario fissare il numero di linee, definire le funzionalità offerte da ciascuna linea, i protocolli di comunicazione usati dai dispositivi interconnessi e le interfacce meccaniche. Via Ariosto Roma 26

27 Architettura a BUS di un sistema di controllo In una architettura a bus, ad un modulo principale ospitante il processore, vengono connessi tutti gli altri moduli necessari a comporre il controllore (memoria, moduli I/ O, periferiche di HMI, interfacce di rete, schede dedicate, etc.). PROCESSORE MEMORIA LINEE ELETRICHE DEL BUS MODULI I/O SCHEDE DEDICATE INTERFACCIA DI RETE Le linee elettriche del BUS vengono raggruppate e differenziate in base alle funzioni: linee di INDIRIZZO linee DATI linee di ALIMENTAZIONE linee di CONTROLLO Via Ariosto Roma 27

28 Caratteristiche dei BUS massimo numero di unità di elaborazione un bus multi-processore è dotato di un protocollo di comunicazione in grado di gestire l accesso concorrente a più CPU velocità massima di trasmissione dati massimo numero di moduli interconnettibili dimensione massima della memoria indirizzabile sincrono basato su clock (time-driven) asincrono basato su interrupt requests IRQ (event-driven) Via Ariosto Roma 28

29 Corso di Laurea: Esempi di BUS general purpose ISA (Industry Standard Architecture) Ampiezza BUS: 8/16 bit Frequenza operativa: 4.77/6/8 Mhz Velocità massima: 4/5 Mbit/sec PCI (Peripheral Component Interconnect) Ampiezza BUS: 32 bit Frequenza operativa: MHz Velocità massima: 1064 Mbit/s Memoria Indirizzabile: 32 bit (4 Gigabytes) Via Ariosto Roma 29

30 Esempi di BUS industriali VME/VME64x (VERSABUS Module Eurocard) Ampiezza BUS: 32 bit Velocità massima: 40 Mbit/s Memoria Indirizzabile: 64 bit PC104 & PC104+ Ampiezza BUS: bit Velocità massima: 40 Mbit/s Via Ariosto Roma 30

31 Pro e contro della architettura a BUS VANTAGGI flessibilità della progettazione del sistema di controllo in termini di componenti e funzionalità semplicità della programmazione della logica di controllo spesso supportata da tool, librerie e ampie community di sviluppatori SVANTAGGI complessità della progettazione del sistema di controllo, in particolare nella scelta di ogni singolo componente complessità del sistema operativo (comunque trasparente all utente finale) Via Ariosto Roma 31

32 Programmable Logic Controller (PLC) I controllori a logica programmabile sono controllori basati su architettura a bus e hanno riscosso ampio successo in ambito della automazione industriale. µplc PLC MEDI PLC GRANDI Via Ariosto Roma 32

33 CONTROLLO LOGICO-SEQUENZIALE nei PLC Il software finalizzato al controllo logico sequenziale segue un ciclo di vita ben consolidato. SPECIFICA ED ANALISI DEI REQUISITI PROGETTO DELLA STRUTTURA DEL SOFTWARE PROGRAMMAZIONE DEL SOFTWARE CODIFICA E VALIDAZIONE CONTROLLORE LOGICO PROGRAMMABILE INSTALLAZIONE PROGRAMMA SOFTWARE MANUTENZIONE, REVISIONE E NUOVE FUNZIONALITÀ Via Ariosto Roma 33

34 CONTROLLO LOGICO-SEQUENZIALE nei PLC Ogni produttore di PLC ha sviluppato tool proprietari a supporto del ciclo di vita del software. Per superare ambiguità sono stati definiti specifici linguaggi per la progettazione e la programmazione del software. SPECIFICA ED ANALISI DEI REQUISITI PROGETTO DELLA STRUTTURA DEL SOFTWARE PROGRAMMAZIONE DEL SOFTWARE CODIFICA E VALIDAZIONE CONTROLLORE LOGICO PROGRAMMABILE INSTALLAZIONE PROGRAMMA SOFTWARE MANUTENZIONE, REVISIONE E NUOVE FUNZIONALITÀ Via Ariosto Roma 34

35 CONTROLLO LOGICO-SEQUENZIALE nei PLC La progettazione del software finalizzato al controllo logico sequenziale ha mutuato dall ingegneria del software alcuni linguaggi formali. SPECIFICA ED ANALISI DEI REQUISITI PROGETTO DELLA STRUTTURA DEL SOFTWARE PROGRAMMAZIONE DEL SOFTWARE UNIFIED MODELLING LANGUAGE (UML) SYSTEM MODELLING LANGUAGE (SysML) SEQUENCIAL FUNCTIONAL CHART (SFC) CODIFICA E VALIDAZIONE INSTALLAZIONE MANUTENZIONE, REVISIONE E NUOVE FUNZIONALITÀ Via Ariosto Roma 35

36 CONTROLLO LOGICO-SEQUENZIALE nei PLC La programmazione del software finalizzato al controllo logico sequenziale ha visto consolidarsi l uso di linguaggi definiti nella norma IEC* SPECIFICA ED ANALISI DEI REQUISITI PROGETTO DELLA STRUTTURA DEL SOFTWARE PROGRAMMAZIONE DEL SOFTWARE CODIFICA E VALIDAZIONE GRAFICI TESTUALI SEQUENCIAL FUNCTIONAL CHART (SFC) FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM (FBD) LADDER DIAGRAM STRUCTURED TEXT (ST) INSTRUCTION LIST (IL) INSTALLAZIONE * International Electrotechnical Commission MANUTENZIONE, REVISIONE E NUOVE FUNZIONALITÀ Via Ariosto Roma 36

37 REALIZZAZIONE SU SOFT PLC Via Ariosto Roma 37

38 PC Industriali OSSERVAZIONE L evoluzione del settore informatico e la diffusione capillare dell uso dei personal computer per uso generico ha comportato: abbattimento dei costi ampia disponibilità di hardware ampia disponibilità di software (a volte open source) molteplicità dei vendor funzionalità avanzate (HMI, SDK, OS, networking) know-how diffuso e consolidato IDEA Perché non adattare i PC ad essere utilizzati in un ambiente industriale (condizioni ambientali estreme, forti disturbi elettromagnetici, vibrazioni, particolato, etc.) realizzando pertanto il concetto di PC INDUSTRIALI? Via Ariosto Roma 38

39 Soft PLC OSSERVAZIONI I PLC sono ormai diffusissimi nel settore della automazione ed in particolare nel settore dell automazione industriale I produttori di PLC aggiornano continuamente i cataloghi, rendendo disponibili moduli nuovi e più avanzati che sono retro-compatibili Nessun imprenditore rivoluziona il proprio sistema di automazione cambiando i buoni e vecchi PLC con PC Industriali senza una motivazione economica o strategica ben precisa IDEA Perché non adattare i PC industriali ad emulare via software i PLC, ovvero perché non adottare una soluzione basata su SOFT PLC? Via Ariosto Roma 39

40 Pro e Contro dei Soft PLC VANTAGGI I Soft PLC ereditano tutti i vantaggi dei PLC e dell uso dei PC SVANTAGGI I Soft PLC devono essere INSTALLATI su PC INDUSTRIALI I Soft PLC richiedono l uso di particolari schede in grado di moltiplicare il numero di ingressi ed uscite utilizzando i BUS tipici dei PC (PCI, ISA) I Soft PLC richiedono una modifica al SO per renderlo REAL TIME (le versioni desktop di Linux, Windows XP,Vista,7 non sono nativamente real time) Via Ariosto Roma 40

41 BIBLIOGRAFIA Sezione 1.3 TITOLO Sistemi di automazione industriale Architetture e controllo AUTORI Claudio Bonivento Luca Gentili Andrea Paoli EDITORE McGraw-Hill Via Ariosto Roma 41